I minuscoli "skimmer" a forma di cono utilizzati negli esperimenti alla ricerca di fenomeni chimico-quantistici esotici assomigliano ai meccanismi di aspirazione dei motori degli aerei, e svolgono funzioni simili:ciascuno dirige il flusso di gas - l'aspirazione del motore controlla l'alimentazione dell'aria per bruciare il carburante, e lo "skimmer" crea fasci di atomi o molecole volanti freddi. Mentre gli schiumatoi sono stati per decenni un componente necessario negli esperimenti con fasci atomici e molecolari, erano anche noti per imporre un limite fondamentale al numero di particelle che si potevano impacchettare nel raggio. Però, Il prof. Edvardas Narevicius e il suo team del dipartimento di fisica chimica del Weizmann Institute of Science hanno ora rivelato un modo semplice per superare questo limite.

Gli esperimenti a raggio freddo vengono condotti nei laboratori di tutto il mondo per osservare atomi e molecole che si comportano in modo quantistico - come, Per esempio, onde che interferiscono tra loro. Sommando travi insieme, come fanno Narevicius e il suo gruppo nel loro laboratorio, crea nuove e interessanti reazioni chimiche.

Narevicius spiega che il raffreddamento estremo necessario per tali esperimenti - vicino allo zero assoluto - si ottiene spruzzando un gas di atomi o molecole attraverso un piccolo ugello in una camera a vuoto, da alta pressione a quasi nessuno. Gli atomi nell'esperimento si espandono, formando una nuvola molto fredda di atomi che si muovono molto velocemente. Gli skimmer vengono utilizzati per dirigere alcuni di questi atomi in un raggio. "Si potrebbe pensare, "dice Narevicio, "che se il gas nella bombola ha una pressione maggiore, e quindi rilascia più atomi contemporaneamente nella camera a vuoto, il fascio risultante avrebbe una densità maggiore. Ma non è così. Al di sopra di una certa pressione la densità si stabilizza. I ricercatori non hanno saputo superare questo limite, mettendo molti esperimenti interessanti fuori portata."

"Questo era un problema perfetto per il mio studente, Yair Segev, " aggiunge Narevicius. Segev è arrivato al Weizmann Institute con esperienza in tecnologia e fisica aerospaziale. A partire da un algoritmo utilizzato dagli ingegneri aerospaziali per modellare i flussi in alto nell'atmosfera, ha creato simulazioni del flusso di particelle negli skimmer. Queste simulazioni hanno rivelato l'esistenza di onde d'urto all'interno dei coni dello skimmer, che bloccava il successivo flusso di particelle nel fascio. Questo fenomeno emerge dalle interazioni tra le particelle del fascio e il cono:le particelle rimbalzano sullo skimmer ad alta velocità, collidendo e interrompendo il flusso del raggio. Le alte velocità riflesse derivano dal "caldo" (cioè, temperatura ambiente) superficie dello skimmer, così Segev ha provato la simulazione con schiumatoi raffreddati. I risultati hanno mostrato una significativa riduzione delle onde d'urto, così come i raggi molto più densi dietro di loro.

Successivamente il team ha intrapreso esperimenti con vari fasci molecolari, raffreddando i loro skimmer a temperature progressivamente più basse. L'esecuzione dei test con neon e altri tipi di plasma fluorescente ha permesso loro di osservare chiaramente i risultati colorati. I ricercatori hanno scoperto che la forma delle onde d'urto era significativamente cambiata e la densità dei fasci aumentava effettivamente con il raffreddamento dello skimmer, con un picco quando la temperatura era inferiore a qualche decina di gradi sopra lo zero assoluto - abbastanza fredda da congelare gli atomi sulla punta del cono e quindi consentire al resto di fluire "senza sentire alcun disturbo dallo schiumatoio, "dice Narevicio.

"Le onde d'urto dentro e intorno agli skimmer risultano essere simili a quelle che sperimenta una navicella spaziale quando attraversa il confine tra il vuoto dello spazio e l'atmosfera superiore, " dice Segev. "In entrambi i casi, sopprimere il calore trasferito tra la superficie e il gas può cambiare drasticamente la forma del flusso. Nella navicella vogliamo evitare che l'atmosfera riscaldi il guscio, mentre nei nostri esperimenti vogliamo evitare che lo schiumatoio scaldi le nostre travi fredde".